鋼軌廓形偏差對(duì)動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)的影響

楊光 侯茂銳 劉豐收 俞喆

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081

高速動(dòng)車組服役性能與輪軌型面匹配狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)［1-2］。鋼軌廓形作為輪軌型面匹配關(guān)系中的關(guān)鍵要素之一，其偏差狀態(tài)直接影響輪軌匹配狀態(tài)，進(jìn)而影響動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)。文獻(xiàn)［3］研究表明，磨耗輪與軌距角突出的鋼軌匹配時(shí)等效錐度較大，易產(chǎn)生橫向加速度超限；新車輪與軌距角被過(guò)度打磨的鋼軌匹配時(shí)等效錐度較小，易產(chǎn)生晃車。文獻(xiàn)［4-5］分別研究了鋼軌打磨對(duì)動(dòng)車組車體抖動(dòng)和車體晃動(dòng)的影響。文獻(xiàn)［6］指出動(dòng)車組抖車是由于車輪與鋼軌匹配關(guān)系異常，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率達(dá)到9 ～ 10 Hz，與動(dòng)車組車體一階菱形模態(tài)頻率接近，引發(fā)車體產(chǎn)生異常振動(dòng)。文獻(xiàn)［7-8］通過(guò)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組跟蹤測(cè)試，明確了動(dòng)車組車體出現(xiàn)晃動(dòng)時(shí)的主頻為1～2 Hz。

目前關(guān)于鋼軌廓形偏差量細(xì)微變化對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行性能影響的相關(guān)研究較少，也尚未明確不同鋼軌偏差量與動(dòng)車組運(yùn)行性能的量化關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于抖車、晃車現(xiàn)象均與轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性相關(guān)，本文基于高速鐵路實(shí)測(cè)輪軌型面數(shù)據(jù)，仿真分析不同偏差的鋼軌廓形分別與新車輪、磨耗車輪匹配時(shí)的輪軌匹配狀態(tài)，以及鋼軌廓形偏差引起輪軌匹配狀態(tài)變化對(duì)動(dòng)車組構(gòu)架橫向振動(dòng)的影響。

1 鋼軌廓形偏差

通過(guò)輪軌型面長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試得到的我國(guó)京滬、京廣等高速鐵路鋼軌廓形數(shù)據(jù)［9］，以Q/CR 681—2018《高速鐵路鋼軌與道岔大型機(jī)械打磨驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計(jì)廓形為基準(zhǔn)廓形。計(jì)算工作邊側(cè)距離軌頂中心20 mm 位置實(shí)測(cè)鋼軌廓形與基準(zhǔn)廓形的偏差d，選取d= -0.4、-0.2、+0.3、+0.6、+0.8 mm 的典型廓形（依次用d-0.4、d-0.2、d+0.3、d+0.6、d+0.8表示）進(jìn)行動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能分析。

將d-0.4、d+0.8廓形分別與基準(zhǔn)廓形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖1?？芍孩賰煞N實(shí)測(cè)廓形與基準(zhǔn)廓形在距軌頂中心-35 ～ -10 mm 區(qū)域（非工作邊側(cè)）和10 ～ 35 mm區(qū)域（工作邊側(cè)）均存在明顯的差異。d-0.4廓形在距軌頂中心10～35 mm 區(qū)域明顯低于基準(zhǔn)廓形，即與基準(zhǔn)廓形存在負(fù)偏差；d+0.8廓形在距軌頂中心10 ～ 35 mm區(qū)域明顯高于基準(zhǔn)廓形，即與基準(zhǔn)廓形存在正偏差。②在工作邊側(cè)，隨著與軌頂中心橫向距離增大，兩種實(shí)測(cè)廓形與基準(zhǔn)廓形的偏差均呈增大趨勢(shì)。其中，d+0.8廓形在與軌頂中心的距離超過(guò)25 mm 后，偏差大于1 mm。

圖1 鋼軌廓形及偏差分析

等效錐度是反映輪軌型面匹配狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。既有研究及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)表明［3］，鋼軌廓形偏差影響其與車輪匹配時(shí)的等效錐度，進(jìn)而影響動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)。等效錐度較低可能出現(xiàn)晃車，等效錐度過(guò)大可能出現(xiàn)抖車或報(bào)警，均影響動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的橫向平穩(wěn)性。

圖2給出了不同偏差實(shí)測(cè)鋼軌廓形與某型動(dòng)車組新車輪和臨近鏇修的磨耗車輪匹配時(shí)的名義等效錐度?？芍孩賹?duì)于新輪和磨耗車輪，鋼軌廓形偏差對(duì)等效錐度均有顯著影響。負(fù)偏差越大則等效錐度越小，負(fù)偏差大于0.2 mm 時(shí)名義等效錐度小于0.08；正偏差越大則名義等效錐度越大，正偏差達(dá)到0.6 mm時(shí)名義等效錐度超過(guò)0.45。②不同偏差實(shí)測(cè)鋼軌廓形與磨耗車輪匹配對(duì)應(yīng)的名義等效錐度均明顯大于新車輪踏面，兩種車輪踏面對(duì)應(yīng)名義等效錐度的差異隨負(fù)偏差減小而增大，隨正偏差增大而增大。

圖2 輪軌匹配等效錐度

新車輪分別與d-0.4、d+0.8廓形匹配時(shí)，左股輪軌接觸分布及現(xiàn)場(chǎng)光帶情況見(jiàn)圖3?？芍篸-0.4廓形對(duì)應(yīng)的輪軌接觸點(diǎn)相對(duì)集中，且偏向非工作邊，這與圖3（b）中現(xiàn)場(chǎng)光帶情況一致，光帶中心偏非工作邊，寬度約為25 mm；d+0.8廓形對(duì)應(yīng)的輪軌接觸點(diǎn)分布相對(duì)分散，在軌頂中心至軌距角區(qū)域均有分布，與圖3（c）中現(xiàn)場(chǎng)光帶情況接近，光帶中心偏工作邊，寬度約為40 mm。

圖3 輪軌接觸范圍及鋼軌光帶

2 構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度

構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度是評(píng)判車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)之一?；趯?shí)際動(dòng)車組和線路參數(shù)建立輪軌系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析不同偏差鋼軌廓形與新車輪、磨耗車輪匹配狀態(tài)下的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍翰煌畹匿撥壚闻c磨耗車輪匹配時(shí)橫向變化更明顯，車輪磨耗后，隨著d由-0.4 mm 增至+0.8 mm，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，尤其是鋼軌存在較大正偏差后，d+0.8廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度較d+0.6廓形增大近80%，較基準(zhǔn)廓形增大近2 倍；與新車輪匹配時(shí)，負(fù)偏差鋼軌廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度相對(duì)較大，但與基準(zhǔn)廓形的差異不超過(guò)20%。

圖4 不同偏差鋼軌廓形的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度

為了分析鋼軌正偏差增大后構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度明顯增大的原因，截取d+0.8廓形和基準(zhǔn)廓形與磨耗車輪匹配時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果（圖5），對(duì)比分析構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻特征差異。

由圖5（a）可知：與磨耗車輪匹配時(shí)，d+0.8廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值達(dá)5.80 m/s2，有效值為2.76 m/s2，而基準(zhǔn)廓形對(duì)應(yīng)值分別為1.90、0.65 m/s2。可見(jiàn)d+0.8廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度振動(dòng)幅度和振動(dòng)劇烈程度均明顯大于基準(zhǔn)廓形。同時(shí)，d+0.8廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度時(shí)域變化已表現(xiàn)出明顯的周期性振蕩特征，這說(shuō)明該匹配關(guān)系下構(gòu)架已出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)。

圖5 與磨耗車輪匹配時(shí)構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻曲線

由圖5（b）可知：基準(zhǔn)廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度主頻特征不明顯，在2～3 Hz振動(dòng)幅值相對(duì)較大；d+0.8廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度出現(xiàn)了明顯8 ～10 Hz 的頻域特征，這與運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組發(fā)生抖車時(shí)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度頻率特征［6］十分接近，且該頻域范圍構(gòu)架橫向振動(dòng)幅值明顯大于基準(zhǔn)廓形。

綜上，較大正偏差的鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時(shí)，構(gòu)架已出現(xiàn)明顯二次蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象，構(gòu)架橫向振動(dòng)幅值和振動(dòng)劇烈程度相對(duì)基準(zhǔn)廓形均明顯增大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，不同運(yùn)行速度的車輛運(yùn)行性能對(duì)于輪軌匹配狀態(tài)的敏感性也存在差異。因此，需進(jìn)一步分析不同車速下，不同偏差鋼軌廓形與新車輪、磨耗車輪匹配時(shí)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度情況。車速分別為300、350、400 km/h 時(shí)，各輪軌匹配工況下構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最大值仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同車速下構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度

由圖6可知：①不同輪軌匹配工況下，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度隨車速提升而增大。②新車輪與負(fù)偏差鋼軌廓形匹配對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度受車速影響更為明顯，如d-0.4廓形與新車輪匹配工況下，車速350、400 km/h時(shí)構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度分別比車速300 km/h時(shí)增大38%、65%。d+0.8廓形與磨耗車輪匹配工況下，車速400 km/h時(shí)構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度比車速350 km/h時(shí)僅增大10%，這是由于較大正偏差車輪與磨耗車輪匹配工況下，以350 km/h 運(yùn)行時(shí)已處于構(gòu)架蛇行失穩(wěn)狀態(tài)，車速對(duì)于構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度的影響作用不及正常運(yùn)行狀態(tài)下明顯。

選擇構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度變化更為明顯的d-0.4廓形與新車輪匹配工況，分析不同速度條件下構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度的時(shí)頻特征。仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 d-0.4廓形與新車輪匹配時(shí)構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度

由圖7 可知：①d-0.4廓形與新車輪匹配工況下，隨著速度提高，構(gòu)架橫向振動(dòng)更加劇烈。車速300、350、400 km/h 對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度有效值分別為0.62、0.69、0.77 m/s2，車速400 km/h 對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度有效值比車速300 km/h 增加24%。②三種速度對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度主頻均為1.5 Hz，該頻率特征與現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)低錐度晃車時(shí)的頻率特征［7］十分接近，且隨速度提高，1.5 Hz 頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值明顯增大?？梢?jiàn)，較大負(fù)偏差鋼軌廓形與新車輪匹配時(shí)，速度提高將增大構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度低頻振動(dòng)幅值，加劇構(gòu)架橫向振動(dòng)，增加車輛低頻失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

1）不同偏差實(shí)測(cè)鋼軌廓形與磨耗車輪匹配對(duì)應(yīng)的名義等效錐度均明顯大于新車輪，名義等效錐度隨負(fù)偏差減小而增大，隨正偏差增大而增大。

2）不同偏差鋼軌廓形對(duì)應(yīng)輪軌接觸點(diǎn)分布與現(xiàn)場(chǎng)鋼軌光帶分布特征對(duì)應(yīng)。負(fù)偏差鋼軌廓形對(duì)應(yīng)輪軌接觸范圍相對(duì)集中，正偏差鋼軌廓形對(duì)應(yīng)的輪軌接觸范圍相對(duì)分散。

3）不同偏差鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時(shí)的橫向振動(dòng)加速度變化更明顯，鋼軌廓形偏差由-0.4 mm到+0.8 mm，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)。較大正偏差鋼軌廓形與磨耗車輪匹配時(shí)，構(gòu)架橫向振動(dòng)幅值和振動(dòng)劇烈程度相對(duì)基準(zhǔn)廓形均會(huì)明顯增大，偏差+0.8 mm廓形對(duì)應(yīng)的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度幅值較基準(zhǔn)廓形增大近2 倍，已出現(xiàn)了明顯的構(gòu)架蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象，且存在8～10 Hz的抖車頻率特征。

4）不同輪軌型面匹配組合下，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度幅值均隨速度提高而增大。較大負(fù)偏差鋼軌廓形與新車輪匹配時(shí)，速度提高將增大構(gòu)架1.5 Hz 低頻振動(dòng)幅值，加劇構(gòu)架橫向振動(dòng)，增加車輛低頻失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。